Мирозиназа - Myrosinase

Тиоглюкозидаза (мирозиназа)
1e4m.png
Мирозиназа из Sinapis alba. PDB 1e4m[1]
Идентификаторы
Номер ЕС3.2.1.147
Количество CAS9025-38-1
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Мирозиназа (EC 3.2.1.147, тиоглюкозид глюкогидролаза, синигриназа, и Sinigrase) - это семья ферменты участвует в защита растений от травоядных. Трехмерная структура выяснена и доступна в PDB (см. ссылки в информационном окне).

Член гликозид гидролаза семейства мирозиназа имеет несколько сходств с более широко распространенными O-гликозидазы.[2][3] Однако мирозиназа - единственный известный фермент найденный в природе, который может расколоть тио -связанный глюкоза. Его известная биологическая функция - катализировать гидролиз класса соединений, называемых глюкозинолаты.[4]

Мирозиназная активность

Мирозиназа считается ферментом, связанным с защитой, и способна гидролизовать глюкозинолаты на различные соединения, некоторые из которых токсичны.[5]

Механизм

Мирозиназа катализирует то химическая реакция

тиоглюкозид + H2О сахар + тиол

Таким образом, два субстраты этого фермента тиоглюкозид и ЧАС2О, а его два товары находятся сахар и тиол.

В присутствии воды мирозиназа отщепляет глюкоза группа из глюкозинолат. Оставшаяся молекула затем быстро превращается в тиоцианат, изотиоцианат, или нитрил; это активные вещества, которые служат защитой растения. Гидролиз глюкозинолаты мирозиназой может давать множество продуктов в зависимости от различных физиологических условий, таких как pH и наличие определенных кофакторы. Все известные реакции имеют одни и те же начальные стадии. (См. Рисунок 2.) Во-первых, связь β-тиоглюкозида расщепляется мирозиназой, высвобождая D-глюкоза. Результирующий агликон претерпевает спонтанный Lossen -подобная перестановка, освобождающая сульфат. Последний шаг в механизм подлежит наибольшему разнообразию в зависимости от физиологических условий, в которых протекает реакция. На нейтральном pH, основным продуктом является изотиоцианат. В кислых условиях (pH <3) и в присутствии железо ионы или эпитиоспецифические белки, образование нитрилы предпочтительнее.[2][6]

механизм гидролиза глюкозинолатов мирозиназой
Фигура 2: Механизм гидролиза глюкозинолатов мирозиназой.[2]

Кофакторы и ингибиторы

Аскорбат это известный кофактор мирозиназы, служащей основание катализатор в глюкозинолат гидролиз.[1][7]Например, мирозиназа, выделенная из дайкон (Raphanus sativus) продемонстрировал рост V макс. от 2,06 мкмоль / мин на мг белка до 280 мкмоль / мин на мг белка на субстрате, аллил глюкозинолат (синигрин) при наличии 500 мкМ аскорбата.[4]Сульфат, побочный продукт глюкозинолат гидролиз, был идентифицирован как конкурентный ингибитор мирозиназы.[4]Кроме того, 2-F-2-дезоксибензилглюкозинолат, который был синтезирован специально для изучения механизма действия мирозиназы, ингибирует фермент, улавливая один из глютаминовая кислота остатки в активный сайт, Глу 409.[3][8]

Структура

Мирозиназа существует как димер с субъединицами 60-70 кДа каждая.[9] [10] Рентгеновская кристаллография мирозиназы, выделенной из Sinapis alba выяснилось, что две субъединицы связаны атомом цинка.[7] Известность соляные мосты, дисульфидные мостики, водородная связь, и гликозилирование считаются вносить свой вклад в фермент Стабильность, особенно когда растение подвергается атаке и серьезно повреждает ткани.[2]Особенность многих ß-глюкозидазы являются каталитическими глутамат остатки на их активные сайты, но два из них были заменены одним глутамин остаток в мирозиназе.[3][11] Было показано, что аскорбат замещает активность остатков глутамата.[1] (См. Механизм на Рисунке 3.)

Первый этап гидролиза глюкозинолата мирозиназой, показывающий активный центр и кофактор аскорбата
Рисунок 3: Активный сайт мирозиназы на первом этапе глюкозинолат гидролиз. Здесь, аскорбат используется как кофактор заменить недостающую секунду каталитический глутамат чтобы расколоть тио -связанный глюкоза.[3]

Биологическая функция

Мирозиназа и ее природные субстрат, глюкозинолат, как известно, являются частью защитная реакция завода. Когда на растение нападает патогены, насекомые, или другой травоядные животные, растение использует мирозиназу для преобразования глюкозинолаты, которые в остальном безвредны, на токсичные продукты, такие как изотиоцианаты, тиоцианаты, и нитрилы.[2]

Компартментализация растений

В глюкозинолат-мирозиназа защитная система упакована на заводе уникальным образом. Растения хранят мирозиназу глюкозинолаты путем компартментализации, так что последний высвобождается и активируется только тогда, когда растение подвергается атаке. Мирозиназа хранится в основном в виде зерен мирозина в вакуоли особого идиобласты так называемые мирозиновые клетки, но также сообщалось о белковых телах или вакуоли, и как цитозольные ферменты, которые имеют тенденцию связываться с мембранами.[12][13] Глюкозинолаты хранятся в соседних, но отдельных «S-ячейках». [14] Когда растение повреждает ткань, мирозиназа вступает в контакт с глюкозинолаты, быстро превращая их в мощную антибактериальную форму.[2] Самыми сильнодействующими из таких продуктов являются изотиоцианаты, с последующим тиоцианаты и нитрилы.[15]

Эволюция

Известно, что у растений развита система защиты мирозиназа-глюкозинолат: белая горчица (Sinapis alba), [9]кресс-салат (Lepidium sativum),[16] васаби (Васабия японская),[17] дайкон (Raphanus sativus),[18][19] а также несколько членов семьи Brassicaceae, включая желтая горчица (Brassica juncea),[20] семена рапса (Brassica napus),[21] и обычные диетические капусты, такие как брокколи, цветная капуста, капуста, бок Чой, и капуста. [2] Горькое послевкусие многих из этих овощей часто можно отнести к гидролиз из глюкозинолаты при повреждении тканей во время приготовления пищи или при употреблении этих овощей в сыром виде.[2] Этот метод защиты используют семена папайи, но не сама мякоть плода.[22]

Мирозиназа также была выделена из капустная тля.[23] Это предполагает коэволюция капустной тли с ее основным источником пищи. Тля использует ту же стратегию защиты, что и растения. Как и ее основной источник пищи, капустная тля разделяет свою родную мирозиназу и глюкозинолаты, которые она принимает. Когда капустная тля подвергается нападению и ее ткани повреждаются, хранящиеся в ней глюкозинолаты активируются, производя изотиоцианаты и удерживая хищников от нападения на других тлей.[24]

Историческая актуальность и современные приложения

сельское хозяйство

Исторически такие культуры, как рапс содержащие глюкозинолат-мирозиназную систему намеренно разводится для минимизации содержания глюкозинолатов, поскольку семена рапса в кормах оказались токсичными для домашний скот.[25]Система глюкозинолат-мирозиназа была исследована как возможный биофумигант для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей. Сильные продукты гидролиза глюкозинолатов (GHP) можно распылять на посевы для предотвращения травоядности. Другой вариант - использовать техники в генная инженерия введение системы глюкозинолат-мирозиназы в сельскохозяйственные культуры как средство повышения их устойчивости к вредителям.[15]

Человеческое здоровье

Изотиоцианаты, основной продукт гидролиза глюкозинолатов, как известно, предотвращает йод принятие в щитовидная железа, вызывая зоб.[26] Известно также, что изотиоцианаты в высоких концентрациях вызывают гепатотоксичность или повреждение печени.[4] Однако более поздние исследования показали, что диета с высоким содержанием глюкозинолат-содержащих овощей, таких как диетическая капуста, связана с более низким риском сердечных заболеваний, диабета и рака.[2][27] Было показано, что изотиоцианаты вызывают фазу II детоксикация ферменты участвует в ксенобиотик метаболизм из канцерогены.[28] Появляется все больше доказательств того, что фермент, подобный мирозиназе, также может присутствовать в кишечнике человека. микробиом. Хотя мирозиназа, как и многие ферменты, денатурируется при высоких температурах и, таким образом, теряет свою активность при приготовлении, кишечник микроб способный катализировать то же самое гидролиз из глюкозинолаты сможет активировать проглоченный глюкозинолаты в их более мощные формы, например изотиоцианаты.[29][30]

Согласно статье в Медицинский журнал Новой Англии, китаянка, съевшая 1–1,5 кг (2,2–3,3 фунта) сырого бок Чой ежедневно развивался тяжелый гипотиреоз из-за чрезмерного приема мирозиназы внутрь.[31]

Рекомендации

  1. ^ а б c Burmeister, W. P .; Cottaz, S .; Rollin, P .; Vasella, A .; Хенриссат Б. (2000). «Рентгеновская кристаллография высокого разрешения показывает, что аскорбат является кофактором мирозиназы и заменителем функции каталитического основания». Журнал биологической химии. 275 (50): 39385–39393. Дои:10.1074 / jbc.M006796200. PMID  10978344.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я Halkier, B.A .; Гершензон, Дж. (2006). «Биология и биохимия глюкозинолатов». Ежегодный обзор биологии растений. 57: 303–333. Дои:10.1146 / annurev.arplant.57.032905.105228. PMID  16669764.
  3. ^ а б c d Bones, A.M .; Росситер, Дж. Т. (2006). «Ферментативное и химически индуцированное разложение глюкозинолатов». Фитохимия. 67 (11): 1053–1067. Дои:10.1016 / j.phytochem.2006.02.024. PMID  16624350.
  4. ^ а б c d Shikita, M .; Fahey, J. W .; Golden, T. R .; Holtzclaw, D .; и Талалай, П. (2000). «Необычный случай« неконкурентной активации »аскорбиновой кислотой: очистка и кинетические свойства мирозиназы из проростков Raphanus sativus». Журнал биохимии. 341 (3): 725–732. Дои:10.1042/0264-6021:3410725. ЧВК  1220411. PMID  10417337.
  5. ^ Транскрипт, индуцируемый раной и метилжасмонатом, кодирующий белок, связанный с мирозиназой, сходный с ранним нодулином
  6. ^ Lambrix, V .; и другие. (2001). «Эпитиоспецифический белок Arabidopsis способствует гидролизу глюкозинолатов до нитрилов и влияет на Trichoplusia ni Herbivory». Растительная клетка. 13 (12): 2793–2807. Дои:10.1105 / tpc.010261. ЧВК  139489. PMID  11752388.
  7. ^ а б Burmeister, W. P .; Cottaz, S .; Driguez, H .; Iori, R .; Palmieri, S .; Хенриссат (1997). «Кристаллические структуры мирозиназы Sinapis alba и ковалентного гликозил-ферментного промежуточного звена дают представление о распознавании субстрата и механизмах активного центра S-гликозидазы». Структура. 5 (5): 663–675. Дои:10.1016 / s0969-2126 (97) 00221-9. PMID  9195886.
  8. ^ Cottaz, S .; Rollin, P .; Дригес, Х. (1997). «Синтез 2-дезокси-2-фторглюкотропаеолина, ингибитора тиоглюкозидазы». Исследование углеводов. 298 (1–2): 127–130. Дои:10.1016 / с0008-6215 (96) 00294-7.
  9. ^ а б Björkman, R .; Янсон, Ж.-К. (1972). «Исследования мирозиназ». Биохим. Биофиз. Acta. 276 (2): 508–518. Дои:10.1016 / 0005-2744 (72) 91011-Х.
  10. ^ Пессина, А .; Thomas, R.M .; Palmieri, S .; Луизи, П. Л. (1990). «Улучшенный метод очистки мирозиназы и ее физико-химическая характеристика». Arch. Biochem. Биофизы. 280 (2): 383–389. Дои:10.1016 / 0003-9861 (90) 90346-Z.
  11. ^ Henrissat, B .; Дэвис, Дж. Г. (2000). «Гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы: семейства, модули и значение для геномики». Физиология растений. 124 (4): 1515–1519. Дои:10.1104 / стр.124.4.1515. ЧВК  1539306. PMID  11115868.
  12. ^ Люти, Б; Матил, П (1984). «Горчичная масляная бомба - исправленный анализ субклеточной организации мирозиназной системы». Biochem Physiol PFL. 179 (1–2): 5–12. Дои:10.1016 / с0015-3796 (84) 80059-1.
  13. ^ Андреассон, Э. (2001). «Различное распределение мирозиназы и идиобластов в Arabidopsis и Brassica napus». Физиология растений. 127 (4): 1750–1763. Дои:10.1104 / стр.010334. ЧВК  133578. PMID  11743118.
  14. ^ Королева, О. А .; и другие. (2000). «Идентификация нового типа клеток, богатых глюкозинолатами, в стебле цветка арабидопсиса». Физиология растений. 124 (2): 599–608. Дои:10.1104 / стр.124.2.599. ЧВК  59166. PMID  11027710.
  15. ^ а б Gimsing, A. L .; Киркегор, Дж. А. (2009). «Глюкозинолаты и биофумигация: судьба глюкозинолатов и продуктов их гидролиза в почве». Phytochem Rev. 8: 299–310. Дои:10.1007 / s11101-008-9105-5.
  16. ^ Durham, P .; Поултон, Дж. Э. (1989). «Влияние кастаноспермина и родственных полигидроксиалкалоидов на очищенную мирозиназу из проростков Lepidium sativum». Физиология растений. 90 (1): 48–52. Дои:10.1104 / pp.90.1.48. ЧВК  1061675. PMID  16666767.
  17. ^ Ohtsuru, M .; Каватани, Х. (1979). «Исследования мирозиназы васаби японской: очистка и некоторые свойства мирозиназы васаби». Agric. Биол. Chem. 43 (11): 2249–2255. Дои:10.1271 / bbb1961.43.2249.
  18. ^ Iversen, T.-H .; Баггеруд, К. (1980). «Мирозиназная активность дифференцированных и недифференцированных растений Brassiaceae Z.». Z. Pflanzenphysiol. 97 (5): 399–407. Дои:10.1016 / s0044-328x (80) 80014-6.
  19. ^ El-Sayed, Sanaa T .; Jwanny, Etidal W .; Рашад, Мона М .; Махмуд, Абир Э .; Абдалла, Надя М. (1995). «Гликозидазы в тканях растений некоторых видов brassicaceae, скрининг различных растений семейства крестоцветных на продукцию гликозидаз». Прикладная биохимия и биотехнология. 55 (3): 219–230. Дои:10.1007 / BF02786861. ISSN  0273-2289.
  20. ^ Ohtsuru, M .; Хата, Т. (1972). «Молекулярные свойства множественных форм мирозиназы растений». Agric. Биол. Chem. 36 (13): 2495–2503. Дои:10.1271 / bbb1961.36.2495.
  21. ^ Lonnerdal, B .; Янсон, Ж.-К. (1973). «Исследования мирозиназ. II. Очистка и характеристика мирозиназы из семян рапса (Brassica napus L.)». Биохим. Биофиз. Acta. 315 (2): 421–429. Дои:10.1016/0005-2744(73)90272-6.
  22. ^ Накамура Йошимаса (2007). «Семена папайи представляют собой богатый источник биологически активного изотиоцианата». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии. 55 (11): 4407–4413. Дои:10.1021 / jf070159w. PMID  17469845.
  23. ^ Хусебай, Х. (2005). «Кристаллическая структура мирозиназы насекомых из Brevicoryne brassicae с разрешением 1,1 Å показывает ее тесную связь с β-глюкозидазами». Биохимия и молекулярная биология насекомых. 35 (12): 1311–1320. Дои:10.1016 / j.ibmb.2005.07.004. PMID  16291087.
  24. ^ Мосты, М .; и другие. (2002). «Пространственная организация глюкозинолат-мирозиназной системы у тлей, специализирующейся на капустной капусте, аналогична таковой у растения-хозяина». Труды Королевского общества. 269 (1487): 187–191. Дои:10.1098 / rspb.2001.1861. ЧВК  1690872. PMID  11798435.
  25. ^ Brabban, A.D .; Эдвардс, К. (1994). «Выделение микроорганизмов, разрушающих глюкозинолаты, и их потенциал для снижения содержания глюкозинолатов в рапсовом шроте». Письма о микробиологии FEMS. 119 (1–2): 83–88. Дои:10.1111 / j.1574-6968.1994.tb06871.x. PMID  8039675.
  26. ^ Bones, A.M .; Росситер, Дж. Т. (1996). «Мирозиназа-глюкозинолатная система, ее организация и биохимия». Physiologia Plantarum. 97: 194–208. Дои:10.1111 / j.1399-3054.1996.tb00497.x.
  27. ^ Hayes, J .; Kelleher, M. O .; Эгглстон, И. М. (2008). «Противораковые химиопрофилактические действия фитохимических веществ, полученных из глюкозинолатов». Европейский журнал питания. 47: 73–88. Дои:10.1007 / s00394-008-2009-8. PMID  18458837.
  28. ^ Ahn, Y.-H .; и другие. (2010). «Электрофильная настройка химиопротекторного природного продукта сульфорафана». PNAS. 107 (21): 9590–9595. Дои:10.1073 / pnas.1004104107. ЧВК  2906893. PMID  20439747.
  29. ^ Cheng, D.-L .; Хашимото, К .; Уда, Ю. (2004). «Переваривание синигрина и глюкотропаеолина in vitro отдельными штаммами Bifidobacterium и идентификация продуктов пищеварения». Пищевая и химическая токсикология. 42 (3): 351–357. Дои:10.1016 / j.fct.2003.09.008. PMID  14871576.
  30. ^ Elfoul, L .; и другие. (2001). «Образование аллилизотиоцианата из синигрина в пищеварительном тракте крыс, моноассоциированных со штаммом Bacteroides thetaiotaomicron из толстой кишки человека». Письма о микробиологии FEMS. 197 (1): 99–103. Дои:10.1111 / j.1574-6968.2001.tb10589.x. PMID  11287153.
  31. ^ Чу М., Зельцер Т.Ф. (2010). «Кома микседемы, вызванная приемом сырого бок-чой». Медицинский журнал Новой Англии. 362 (20): 1945–6. Дои:10.1056 / NEJMc0911005. PMID  20484407.